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一种特殊造型装配式干挂石材幕墙设计探讨

来源:2018《建筑门窗幕墙创新与发展》  作者:姜清海  日期:2018-5-4
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  摘要:本文阐述了北京嘉德艺术中心项目中的干挂石材幕墙的特殊性、设计难点及对应的解决方案,提出了菱形钢骨架的设计应用、菱形空缝石材背栓点支式连接的新结构形式的设计与应用。
  关键词:钢结构锚板、菱形钢骨架、点支式连接

  干挂石材作为一种具有更好耐久性、更贴近自然、庄重华贵的建筑材料,正在逐步取代早期广泛流行的大面积采用玻璃的幕墙设计,建筑师更加重视如何在新的建筑物上突出建筑的艺术效果和自然美的效果,尤其是代表实体的石材幕墙与代表虚幻的玻璃幕墙的有机结合更是很多建筑师的首选。

  干挂石材幕墙(词条“干挂石材幕墙”由行业大百科提供)所使用的石材主要为天然花岗岩。花岗岩具有较高的抗压强度硬度、耐风化、抗腐蚀能力强,耐用年限久,天然色素均匀,是建筑中较为理想的外墙面装饰材料天然石材美观、自然,用天然石材作为外墙装饰材料的建筑具有稳健、古朴的历史底韵。天然石材已逐渐为大众所认识和接受,被广泛地应用于各类建筑,其特点是既能营造出宏伟壮观的建筑艺术效果,又能给人带来清新舒适的自然观感。干挂花岗岩幕墙大约起始于60年代后期,80 年代中期引入中国,经过三十多年实践和发展,在材料和构造方面均优于湿贴石材幕墙。目前,干挂花岗岩工艺已被广泛应用于大型公共建筑(词条“公共建筑”由行业大百科提供)的内外墙饰面,尤其在建筑物裙房(词条“裙房”由行业大百科提供)以及高度在 30m 以下的幕墙工程中使用最为广泛。

  位于北京市五四大街与王府井大街大街交口的西南角的“北京嘉德艺术中心”项目就是在裙楼(词条“裙楼”由行业大百科提供)使用天然花岗石以实现建筑师特殊的设计理念的典型代表。该项目由“北京皇都房地产开发有限公司”开发,“泰康之家(北京)投资有限公司”投资兴建,著名德国建筑师奥雷·舍人与北京市建筑设计研究院合作设计。该项目位于北京市区的繁华区段,建筑高度有限高要求,同时考虑到该项目的实际使用功能,无论其建筑设计、结构设计,还是幕墙系统设计以及工程施工,都将面临诸多困难和高难度的挑战。

  这栋楼位于北京的城市中心处,对面是美术馆,旁边是一块历史胡同区,它前面正对着的就是扎哈·哈迪德设计的银河SOHO和OMA事务所设计的CCTV央视大楼总部,这座坐落于北京故宫附近的“嘉德艺术中心”将成为中国最早艺术品拍卖行的新总部。该建筑嵌进北京中心的历史文脉中,其下部像素化的体量,从纹理、颜色和繁杂的规模与建筑周边的城市胡同肌理相融合,建筑上部则通过大尺度玻璃砖与北京现代城市相呼应,其建筑肌理与邻近的胡同及四合院产生共鸣。与皇家的紫禁城相比,砖显得更具普适性,更能代表民间社会与其价值观念,一种中国文化中谦卑的、非精英主义观念。建筑下部的外立面由像灰色石头一样的像素化图案组成,建筑师通过成千上万的穿孔将中国历史上最重要的山水画“富春山居图”投映在立面上。

  按照建筑师对外墙的设计理念,外墙采用“青砖”样式的砖石“像素”放置在建筑底部,以元代画家黄公望的著名山水画《富春山居图》为模板,通过精炼提取的数千个圆孔像素嵌入墙体之中,创造出抽象的山水轮廓。要实现上述建筑师的设计理念,外墙幕墙的设计与施工将面临巨大的挑战,这座体量并不大的建筑,其幕墙的设计和施工都将颠覆传统的幕墙设计和施工理念。本文仅介绍本建筑底部特殊的干挂石材幕墙的设计施工难点。

  干挂石材幕墙位于建筑的下部1层~4层,与上部中规中矩的矩形玻璃幕墙相比,下部的干挂石材幕墙外表面则形成巨大的反差,不仅立面有突出的凹凸、悬挑与退台,而且石材立面上有近四千个大小不一的孔洞,通过这些孔洞的有机排列组合,抽象形成了《富春山居图》的像素。为了这些像素的完整性,石材接缝均须呈菱形布置,并须将41个几何体形成连续贯通的石材拼缝,从而形成“搭积木”式的整体裙楼,由此可以想象,这与其说是建筑裙楼,不如说是一件雕塑艺术品更为恰当。因为仅从外表面看,怎么看也找不到一般建筑中的柱网、楼层、采光、通风等基本的建筑功能元素,但这又确实是一个特殊的建筑裙楼,所有的建筑功能都在这种特殊的外形设计下巧妙地实现了。下面分别就其干挂石材幕墙的结构形式、与主体钢结构锚固设计、石材幕墙构造系统设计等三个方面分析其特殊性。

  一、干挂石材幕墙的特殊结构形式

  本项目干挂石材幕墙的结构形式与传统各种干挂石材幕墙形式均不相同,既不是单元式,也不是普通的构件式,这些多种结构系统经过多次论证后均被否定,最终选用了一种独特的幕墙结构系统,即“整体预制型菱形钢骨架系统”。

石材面板均呈菱形方向布置

  从上图中可以看出,石材立面为了形成整体的有机肌理,并便于石材面板开孔,石材面板设计为1131×1131的菱形布局,对角线长度为1600,故裙楼41个几何体按照1600/2=800的模数进行排列组合,形成有机的几何整体;特别强调的是,由于41个几何体形成了多个阴角和阳角,菱形立面所组成的阳角是整体效果的点睛之笔。为了整体效果美观,建筑师要求进行了多次实物样板的安装比较,最终选择所有的阳角均须采用整体石材进行装配。除此以外,石材面板上无规律的开孔布置,且孔洞中须安装深度达300mm的灯筒透镜,这些透镜必须安装在主次龙骨之间,不能打断主次龙骨。以上要求完全打破了石材幕墙的结构形式常规,即常规的横平竖直的龙骨框架不能使用,只能依照菱形石材的网络方向布置主次龙骨了。

  这种特殊的龙骨结构设计形式无论从设计、结构计算,还是龙骨加工、安装等都给设计工程师和工厂构件加工及现场安装增添了很大的难度。为保证加工安装精度,本项目采用了特殊的钢骨架布置形式,针对各不同几何体的不同立面,对钢龙骨进行分块划分布置,选择“单元格”,对标准“单元格”的主次龙骨采用整体预制方式进行设计和施工,以减小现场的作业量,并大大提高加工及安装质量,有效缩短工期。

石材几何体各立面展开示意图

  从以上各几何体的石材幕墙展开图看,所有的各折面上的石材拼缝均须贯通,全部41个几何体的石材拼缝均须贯通,仅此一项要求,就需要在BIM(词条“BIM”由行业大百科提供)模型中反复调整,直至达到上述要求。为达到此目的,主体钢结构、室内各种管网均须建筑与结构专业的多次反复配合调整,并充分借助BIM技术才得以顺利实现。

菱形布置的石材立面图

  为顺利而精确地实现上述立面效果,经过多方案的反复比选,最后选择了如下图所示的“整体预制菱形钢骨架”的小单元幕墙(词条“单元幕墙”由行业大百科提供)结构形式,即按立面规律将斜向的标准跨设计为整体钢框架单元,主龙骨140×6的热镀锌方钢管与次龙骨60×4的热镀锌方钢管整体预制焊接(词条“焊接”由行业大百科提供)组装,现场进行整体吊装,相邻两跨单元钢框架之间在现场再补充安装次龙骨。最后形成完整的钢骨架立面。

  二、石材菱形钢骨架与主体钢结构的锚固设计

  该项目主体结构为钢结构,梯间核心筒为钢柱混凝土筒体结构,混凝土楼板为“几”形瓦楞板上浇捣混凝土,由于混凝土楼板厚度不够预埋件(词条“预埋件”由行业大百科提供)的锚固厚度要求,故不能采用在混凝土楼板内预埋铁件的方式提供幕墙的锚固点,因此1层~4层石材幕墙连接的锚固支座只能设置在主体钢结构的H形钢梁及H形钢柱上。

  鉴于主体钢结构施工时,幕墙方案尚未确定,故不能在主体钢结构上焊接幕墙用的预埋钢板,经与设计院结构工程师、监理公司、总包方反复研究讨论,并在现场钢结构焊接进行测试试验,选择对主体钢结构影响最小的施工方法实现后锚固钢板的焊接施工连接,最终确定后锚固钢板施工须达到如下要求:

  (1)后锚固钢板选用12厚钢板肋板(词条“肋板”由行业大百科提供)焊接在主体钢结构的H形钢柱及钢梁的 翼缘之间的腹板上,不得单独焊接在翼缘板边。

  (2)焊缝高度为4~6mm,焊缝必须分段焊接,连续施焊的长度不得超过100mm。

  (3)施工顺序为沿钢构件中心线对称焊接,焊接部位按钢结构的防腐(词条“防腐”由行业大百科提供)要求补刷防腐漆及防火涂料

  (4)幕墙与主体钢结构之间的连接必须为螺栓铰接,不得为全焊接刚接连接,即幕墙与主体钢结构之间的连接件必须一端是焊接另一端为螺栓连接;

  上述方案确定后,现场即可按实测钢梁的尺寸下料加工锚固钢板,再按上述要求进行焊接,解决了与总包及钢结构之间的工艺交叉施工问题。实际施工如上图所示,在H形钢梁的上下翼缘板之间焊接竖向钢板肋板,幕墙连接件支座与此钢肋板采用不锈钢(词条“不锈钢”由行业大百科提供)螺栓连接,与石材幕墙钢骨架进行焊接连接。

  三、菱形干挂石材的点支式系统构造设计

  按照建筑师“像素化图案”设计理念,上部漂浮的青砖盒子由裙楼基座承托支撑,基座则由特殊选择的蒙古黑花岗石按菱形方式通缝连续布置,所有几何体外立面均为无密封胶的空缝式设计且要求方方正正,不能出现调坡、斜角等不规则体型,故所有建筑功能所需要的调坡、保温(词条“保温”由行业大百科提供)、通风、采光、排水、消防等均须在此严格规则的几何体内实现,这些繁杂的功能需要另撰文描述,本节仅说明石材面板的点支式系统构造设计。

  基于石材设计的基本原理,空缝式干挂石材幕墙需要采用背栓式设计工艺来实现石材面板的固定,石材背后需要设置防水板实现石材幕墙的整体防水,在防水板的背面则是保温层(词条“保温层”由行业大百科提供)防火层等功能层。由于石材背栓连接是独立的点连接,每件石材需要四个背栓固定连接点,则需要两支横梁来固定背栓支座,而不能像其他卡条构造的方式共用横梁。

  按照上述的基本设计原理,本项目中则需要更多的次龙骨来固定石材背栓,由于石材面板中有近四千个灯筒开孔,导致石材主次龙骨必须与石材一致呈菱形布置,同时在实际施工时,蒙古黑矿山上无法生产1131见方的花岗石,建筑师最终确定1131见方的石材面板实际由一分为四的石材板块密缝拼接而成,因此主次龙骨的布置密度太密,钢材含量将高达55公斤/㎡,同时高密度的焊接也将导致钢骨架的变形严重。考虑到此工艺的缺陷,针对本项目的实际要求,将点支式玻璃幕墙的构造设计理念引用到本项目的石材幕墙设计中,通过在主次龙骨上设置支座钢板,在每个支座钢板上再设置四个支座点用于固定石材背栓。按此方法可以减少近一半的次龙骨用量,大大降低了钢材含量。

  本文仅就上述三个方面分析了本项目裙楼干挂石材幕墙的特殊设计方法,而本项目的复杂之处还远不止上述几个方面,如裙楼石材幕墙的采光设计、通风设计、消防设计、排水设计等均非常特殊,在以后的文章中将继续阐述。

  参考文献

  〔1〕中华人民共和国建筑工业行业标准《小单元建筑幕墙》JG/T216-2007

  〔2〕中华人民共和国建筑工业行业标准《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001

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专家介绍

 姜清海

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:中山盛兴股份有限公司

技术职称:高级工程师

专业:建筑幕墙技术及产品研发,工程设计、施工、监理,工程技术顾问

专长:幕墙工程技术规范、标准编制,各种幕墙结构系统设计,幕墙新技术、新产品、新工艺研发,幕墙专利技术产品开发

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2018-5-4/44667-1.htm
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